合成高分子材料的檢測(cè)與應(yīng)用

時(shí)間：2023-05-01 02:24:51 資料我要投稿

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第十章合成高分子材料的檢測(cè)與應(yīng)用

合成高分子材料是由高分子組成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡膠、化學(xué)纖維、建筑膠和涂料。這些高分子材料的基本成分是人工合成的，簡(jiǎn)稱高聚物。由高聚物加工或用高聚物對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性所制得的土木工程材料，習(xí)慣上稱為化學(xué)建材�；瘜W(xué)建材在土木工程中的應(yīng)用日益廣泛，在裝飾、防水、膠黏、防腐等各個(gè)方面所起的重要作用是其他土木工程材料所不可替代的。

10.1 高分子材料的基本知識(shí)

以石油、煤、天然氣、水、空氣及食鹽等為原料，制得的低分子材料單體（如乙烯、氯乙烯、甲醛等），經(jīng)合成反應(yīng)即得到合成高分子材料，這些材料的相對(duì)分子質(zhì)量一般都在幾千以上，甚至可達(dá)到數(shù)萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)或更大。從結(jié)構(gòu)上看，高分子材料是由許多結(jié)構(gòu)相同的小單元（稱為鏈節(jié)）重復(fù)構(gòu)成的長(zhǎng)鏈材料。例如，乙烯（CH2—CH2）的相對(duì)分子質(zhì)量為28，而由乙烯為單體聚合而成的高分子材料聚乙烯（—CH2—CH2—）。相對(duì)分子質(zhì)量則在1000~35000之間或更大。其中每一個(gè)“—CH2—CH2—”為一個(gè)鏈節(jié)，n稱為聚合度，表示一個(gè)高分子中的鏈節(jié)數(shù)目。

一種高分子材料是由許多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相類似而聚合度不完全相等，即相對(duì)分子質(zhì)量不同的有機(jī)物形成的混合物，稱為同系聚合物，故高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量只能用平均相對(duì)分子質(zhì)量表示。

10．1．1 高分子材料的分類

1．按分子璉的形狀分類

根據(jù)分子鏈的形狀不同，可將高分子材料分為線型的、支鏈型的和體型的三種。

1）線型高分子材料的主鏈原子排列成長(zhǎng)鏈狀，如聚乙烯、聚氯乙烯等屬于這種結(jié)構(gòu)。

2）支鏈型高分子材料的主鏈也是長(zhǎng)鏈狀，但帶有大量的支鏈，如ABS樹(shù)脂、高抗沖的聚苯乙烯樹(shù)脂等屬于支鏈型結(jié)構(gòu)。

3）體型高分子材料的長(zhǎng)鏈被許多橫跨鏈交聯(lián)成網(wǎng)狀，或者在單體聚合過(guò)程中在二維空間或三維空間交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)，分子彼此固定。如環(huán)氧、聚酯等樹(shù)脂的最終產(chǎn)物屬于體型結(jié)構(gòu)。

2．按對(duì)熱約性質(zhì)分類

按受熱時(shí)狀態(tài)不同，可分為熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂兩類。

1）熱塑性樹(shù)脂在加熱時(shí)呈現(xiàn)出可塑性，甚至熔化，冷卻后又凝固硬化。這種變化是可逆的，可以重復(fù)多次。這類的高分子材料其分子間的作用力較弱，為線型及帶支鏈的樹(shù)脂。

2）熱固性樹(shù)脂是一些支鏈型高分子材料，加熱時(shí)轉(zhuǎn)變成黏稠狀態(tài)，發(fā)生化學(xué)變化，相鄰的分子相互連接，轉(zhuǎn)變成體型結(jié)構(gòu)而逐漸固化，其相對(duì)分子質(zhì)量也隨之增大，最終成為不能熔化、不能溶解的物質(zhì)。這種變化是不可逆的，大部分縮合樹(shù)脂屬于此類。

3．按高分子材料妁結(jié)晶分類

高分子材料按它們的結(jié)晶性能，分為晶態(tài)高分子材料和非晶態(tài)高分子材料，由于線型高分子難免沒(méi)有彎曲，故高分子材料的結(jié)晶為部分結(jié)晶。結(jié)晶所占的百分比稱為結(jié)晶度。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶度越高，高分子材料的密度、彈性模量、強(qiáng)度、硬度、耐熱性、折光系數(shù)等越大，而沖擊韌性、黏附力、斷裂伸長(zhǎng)率、溶解度等越小。晶態(tài)高分子材料一般為不透明或半透明的，非晶態(tài)高分子材料則一般為透明的。

體型高分子材料只有非晶態(tài)一種。

4．按高分子材料的變形與溫度分類

非晶態(tài)高分子材料的變形與溫度的關(guān)系如圖10.1所示。非晶態(tài)線型高分子材料在低于某一溫度時(shí)，由于所有的分子鏈和大分子鏈均不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)而成為硬脆的玻璃體，即處于玻璃態(tài)，高分子材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度稱為玻璃化溫度TR。當(dāng)溫度超過(guò)玻璃化溫度TR時(shí)，由于分子鏈可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)（大分子不運(yùn)動(dòng)），使高分子材料產(chǎn)生大的變形，具有高彈性，即進(jìn)入高彈態(tài)。溫度繼續(xù)升高至某一數(shù)值時(shí)，由于分子鏈和大分子鏈均可發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使高分子材料產(chǎn)生塑性變形，即進(jìn)入黏流態(tài)，將此溫度稱為高分子材料的黏流態(tài)溫度Tf。

圖10.1 非晶態(tài)線型高分子材料的變形與溫度的關(guān)系

熱塑性樹(shù)脂與熱固性樹(shù)脂在成型時(shí)均處于黏流態(tài)。

玻璃化溫度TR低于室溫的稱為橡膠，高于室溫的稱為塑料。玻璃化溫度是塑料的最高使用溫度，但卻是橡膠的最低使用溫度。

10．1．2 高分子材料的合成方法及命名

將低分子單體經(jīng)化學(xué)方法聚合成為高分子材料，常用的合成方法有加成聚合和縮合聚合兩種。

1．加成聚合

加成聚合又叫加聚反應(yīng)。它是由許多相同或不相同的不飽和（具有雙鍵或三鍵的碳原子）單體（通常為烯類）在加熱或催化劑的作用下，不飽和鍵被打開(kāi)，各單體分子相互連接起來(lái)而成為高聚物，如乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯。

加聚反應(yīng)得到的高聚物一般為線型分子，其組成與單體的組成基本相同，反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物。

由加聚反應(yīng)生成的樹(shù)脂稱為聚合樹(shù)脂，其命名一般是在其原料名稱前面冠以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。

2．縮合聚合

縮合聚合又叫縮聚反應(yīng)，它是由一種或數(shù)種帶有官能團(tuán)（H—、—OH、Cl—、—NH2、—COOH等）的單體在加熱或催化劑的作用下，逐步相互結(jié)合而成為高聚物。同時(shí)，單體中的官能團(tuán)脫落并化合生成副產(chǎn)物（水、醇、氨等）。

縮聚反應(yīng)生成物的組成與原始單體完全不同，得到的高聚物可以是線型的或體型

的。

縮聚反應(yīng)生成的樹(shù)脂稱為縮合樹(shù)脂。其命名一般是在原料名稱后加上“樹(shù)脂”兩字，如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂等。

10．1．3 高分子材料的基本性質(zhì)

（1）質(zhì)輕

高分子材料的密度一般在0.90~2.20kg/cm3之間，平均約為鋁的1/2，鋼的1/5，混凝土的1/3，與木材相近。

（2）比強(qiáng)度高

高分子材料的比強(qiáng)度高是由于長(zhǎng)鏈型的高分子材料分子與分子之間的接觸點(diǎn)很多，相互作用很強(qiáng)，而且其分子鏈?zhǔn)球榍�，相互糾纏在一起。

（3）彈性好

高分子材料的彈性好是因?yàn)楦叻肿硬牧鲜芰r(shí)，其蜷曲的分子可以被拉直而伸長(zhǎng)，當(dāng)外力除去后，又能恢復(fù)到原來(lái)的蜷曲狀態(tài)。

（4）絕緣性好

由于高分子材料中的化學(xué)鍵是共價(jià)鍵，不能電離出電子，因此不能傳遞電流；又因?yàn)槠浞肿蛹?xì)長(zhǎng)而蜷曲，在受熱或聲波作用時(shí)，分子不容易振動(dòng)。所以，高分子材料對(duì)于熱、聲也具有良好的隔絕性能。

（5）耐磨性好

許多高分子材料不僅耐磨，而且有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性，如尼龍、聚四氯乙烯等。

（6）耐腐蝕性優(yōu)良

高分子材料的耐腐蝕性優(yōu)良是因?yàn)樵S多分子鏈上的基團(tuán)被包在里面，當(dāng)接觸到能與分子中某一基團(tuán)起反應(yīng)的腐蝕性介質(zhì)時(shí)，被包在里面的基團(tuán)不容易發(fā)生變化。因此，高分子材料具有耐酸、耐腐蝕的特性。

（7）耐水性、耐濕性好

多數(shù)高分子材料憎水性很強(qiáng)，有很好的防水和防潮性。

高分子材料的主要缺點(diǎn)是：耐熱性與抗火性差、易老化、彈性模量低、價(jià)格較高。在土木工程中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮其優(yōu)良的基本性質(zhì)。

10．2 常用建筑高分子材料

10．2．1 樹(shù)脂和塑料

樹(shù)脂是指在受熱時(shí)通常有軟化或熔融范圍。軟化時(shí)，在外力作用下有流動(dòng)傾向，常溫下有時(shí)是固態(tài)或半固態(tài)的聚合物，有時(shí)也可以是液態(tài)的聚合物。廣義地講，作為塑料基材的任何高分子材料都可稱為樹(shù)脂。

塑料是指以樹(shù)脂為主要成分，含有各種添加劑（如增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑、顏料等），而且在加工過(guò)程中能流動(dòng)成型的高分子材料。

塑料按其用途可分為通用塑料和工程塑料兩種。通用塑料產(chǎn)量大、用途廣、成型性能好、價(jià)廉，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。工程塑料能承受外力作用、有良好力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定、在高溫和低溫下具有良好性能，可作為工程構(gòu)件如ABS塑料。作為水泥混凝土或?yàn)r青混合料改性的塑料屬于通用塑料，直接作為橋梁或道路結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑料屬于工程塑料。

1．聚乙烯（簡(jiǎn)稱PE）

聚乙烯是由乙烯加聚得到的高分子材料。聚乙烯塑料是以聚乙烯樹(shù)脂為基材的塑料。

聚乙烯按其密度分為：①高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE，白色粉末狀，或柱狀，或半圓狀顆粒。密度為0.941~0.970g/cm3）；②低密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱LDPE，白色或乳白色蠟狀物，呈球形或圓柱形顆粒，密度為0.910~0.940 g/cm3。其中0.926~0.94 g/cm3又稱為中密度聚乙烯）。

低密度聚乙烯比高密度聚乙烯強(qiáng)度低，但具有較大的伸長(zhǎng)率和較好的耐寒性，故用于改性瀝青的多選用低密度聚乙烯。

聚乙烯的特點(diǎn)是：強(qiáng)度較高、延伸率較大、耐寒性好（玻璃化溫度可達(dá)－120℃~－125℃。聚乙烯樹(shù)脂是較好的瀝青改性劑，由于它具有較高的強(qiáng)度和較好的耐寒性，并且與瀝青的相容性較好，在其他助劑的協(xié)同作用下，可制得優(yōu)良的改性瀝青。

聚乙烯塑料可制成半透明、柔韌、不透氣的薄膜，也可加工成建筑用的板材或管材。近幾年，生產(chǎn)的“超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯”（UHNWPE），聚合度n為100×104~600×104，密度0.936~0.964 g/cm3，抗沖擊強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、耐磨性和耐熱性均大大提高。

2．聚丙烯（簡(jiǎn)稱PP）

聚丙烯是以丙烯為單體聚合制成的高分子材料。以聚丙烯樹(shù)脂為基材的塑料稱為聚丙烯塑料。

聚丙烯按其分子結(jié)構(gòu)可分為:無(wú)規(guī)聚丙烯、等規(guī)聚丙烯和間規(guī)聚丙烯三種。

用作瀝青改性的主要為無(wú)規(guī)聚丙烯（簡(jiǎn)稱APP）。

無(wú)規(guī)聚丙烯是生產(chǎn)等規(guī)聚丙烯的副產(chǎn)品，在常溫下呈乳白色至淺棕色橡膠狀物質(zhì)。密度為0.850 g/cm3，抗拉強(qiáng)度較低，但延伸率高，耐寒性尚好（玻璃化溫度－20℃~－18℃）。無(wú)規(guī)聚丙烯常用作道路和防水瀝青的改性劑。

聚丙烯樹(shù)脂經(jīng)塑化加工后，常用于制成塑料薄膜或建筑板材或管材，性能與聚乙烯塑料相近。

3．聚氯乙烯（簡(jiǎn)稱PVC）

聚氯乙烯是由氯乙烯單體加成聚合而得的熱塑性線型樹(shù)脂。

經(jīng)塑化加工后制成聚氯乙烯塑料，具有較高力學(xué)性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，主要缺點(diǎn)是變形能力低和耐寒性差。

聚氯乙烯樹(shù)脂與焦油瀝青具有較好的相容性，常用作煤瀝青的改性劑，對(duì)煤瀝青的熱穩(wěn)定性有明顯改善，但變形能力和耐寒性改善較少。

聚氯乙烯樹(shù)脂經(jīng)塑化加工后，可制成聚氯乙烯塑料薄膜，建筑用硬塑料管材和板材以及各種日用制品。

4．聚苯乙烯（簡(jiǎn)稱PS）

聚苯乙烯是以苯乙烯為單體制得的聚合物，聚苯乙烯塑料是以聚苯乙烯樹(shù)脂為基材的塑料。

PS是無(wú)色透明具有玻璃光澤的材料。由于不耐沖擊、性脆、易裂，故目前是通過(guò)共聚、共混、添加助劑等方法生產(chǎn)改性聚苯乙烯，如HIPS等。

5．乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（簡(jiǎn)稱EVA）

EVA是由乙烯（E）和乙酸乙烯酯（VA）共聚而得的高分子材料，化學(xué)名為乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。

EVA為半透明粒狀物，具有優(yōu)良的韌性、彈性和柔軟性；同時(shí)又具有一定的剛性、

耐磨性和抗沖擊性等力學(xué)性能。EVA的力學(xué)性能，隨乙酸乙烯酯（VA）的含量而變化，VA含量越低，其性能則接近低密度聚乙烯；VA含量越高，則越類似于橡膠。

EVA為較常采用的瀝青改性劑。改性后瀝青的性能與共聚物中VA含量有密切關(guān)系，在選用時(shí)應(yīng)注意其品種與牌號(hào)。

6．環(huán)氧樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱EP）

環(huán)氧樹(shù)脂是指在聚合物分子鏈中含有醚鍵，同時(shí)在分子兩端僅有反應(yīng)性環(huán)氧基的聚合物。習(xí)慣上把含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的能交聯(lián)的聚合物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂是線型的高分子材料，由于在它分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基、羥基、醚鍵等，可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，而變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)的材料，其性能也由熱塑性變?yōu)闊峁绦�。以環(huán)氧樹(shù)脂為主要成膜物質(zhì)，添加固化劑、稀釋劑、增韌劑、增強(qiáng)材料及其他助劑所制得的塑料稱為環(huán)氧塑料。

環(huán)氧樹(shù)脂常用于制備樹(shù)脂混凝土和改性瀝青混合料，也常用于橋面鋪裝防水層和橋梁混凝土的修補(bǔ)。

10．2．2 橡膠

橡膠是在外力作用下可發(fā)生較大形變，外力撤銷后又迅速?gòu)?fù)原，在使用條件下具有高彈性的高分子材料。隨著目前高分子材料合金的發(fā)展，實(shí)際上它與塑料（樹(shù)脂）越來(lái)越重疊交叉。

1．橡膠的硫化

橡膠的硫化又稱交聯(lián)。橡膠硫化的目的是為了提高其強(qiáng)度、變形性、耐久性、抗剪切能力，減少其塑性。硫化的實(shí)質(zhì)是利用硫化劑（又稱交聯(lián)劑）使橡膠由線型分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)成為網(wǎng)型分子結(jié)構(gòu)彈性體的過(guò)程。硫化后的橡膠又稱硫化橡膠，簡(jiǎn)稱橡膠。常用的橡膠制品均為硫化橡膠。

2．橡膠的再生處理

橡膠的再生處理主要是脫硫。脫硫是指將廢舊橡膠經(jīng)機(jī)械粉碎和加熱處理等，使橡膠氧化解聚，即由大網(wǎng)型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾【W(wǎng)型結(jié)構(gòu)和少量的線型結(jié)構(gòu)的過(guò)程。脫硫后的橡膠除具有一定的彈性外，還具有一定的塑性和黏性。

經(jīng)再生處理的橡膠稱為再生橡膠或再生膠。再生橡膠主要用于瀝青的改性。

3．常用橡膠

（1）丁苯橡膠（簡(jiǎn)稱SBR）

丁苯橡膠是丁二烯與苯乙烯的共聚物，是合成橡膠中應(yīng)用最廣的一種通用橡膠。按苯乙烯占總量中的比例，分為丁苯-10、丁苯-30、丁苯-50等牌號(hào)。隨著苯乙烯含量增大，硬度、抗磨性增大，彈性降低。丁苯橡膠綜合性能較好，強(qiáng)度較高，延伸率大，抗磨性和耐寒性也較好。

丁苯橡膠是水泥混凝土和瀝青混合料常用的改性劑。丁苯膠乳可直接用于拌制聚合物水泥混凝土；也可與乳化瀝青共混制成改性瀝青乳液，用于道路路面和橋面防水層。丁苯橡膠需要用溶劑法將其摻入瀝青中。丁苯橡膠對(duì)水泥混凝土的強(qiáng)度、抗沖擊和耐磨等性能均有改善；對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性有明顯提高，對(duì)高溫穩(wěn)定性也有適當(dāng)改善。

（2）丁基橡膠（簡(jiǎn)稱IIR ）

丁基橡膠又稱異丁橡膠，是由異丁烯與少量異戊二烯共聚而得的共聚物，是一種無(wú)色的彈性體，相對(duì)密度為0.92g/cm3左右，相對(duì)分子質(zhì)量介于30000~85000之間，能溶于C5以上直鏈烷烴或芳香烴的溶劑中。丁基橡膠的生膠具有較好的抗拉強(qiáng)度和大的延伸率，耐老化性能好，玻璃化溫度低且耐熱性好。丁基橡膠作為瀝青改性劑，可用溶劑

法加入，摻量為2.00%左右。

（3）氯丁橡膠（簡(jiǎn)稱CR）

氯丁橡膠是以2氯-1，3-丁二烯為主要原料通過(guò)均聚或共聚制得的一種彈性體。氯丁橡膠呈米黃色或淺棕色,密度1.23g/cm3。具有較高的抗拉強(qiáng)度和相對(duì)伸長(zhǎng)率，耐磨性好，且耐熱、耐寒，硫化后不易老化。由于它的性能較全面，是一種常用膠種。氯丁橡膠用溶劑法可摻入瀝青，或者氯丁膠乳與乳化瀝青共混均可用于制備路面用瀝青混合料。也可作為橋面或高架路面防水層涂料。

（4）聚丁二烯橡膠（簡(jiǎn)稱BR）

聚丁二烯橡膠是1，3-丁二烯聚合制得的系列產(chǎn)品。按其結(jié)構(gòu)有順式或反式兩種，聚丁二烯橡膠，簡(jiǎn)稱順丁橡膠。順式中只有高順式1，4-聚丁二烯橡膠具有高彈性。高順丁橡膠呈白色直至黃色透明體，其性能除了具有高彈性外，耐磨性也較好，特別是具有優(yōu)良的耐寒性。但抗拉強(qiáng)度較低，相對(duì)伸長(zhǎng)率稍低。

順丁橡膠與其他聚合物組成的混合物，可用于瀝青改性，特別是對(duì)改善瀝青的低溫性能有明顯的效杲。

（5）乙丙橡膠（簡(jiǎn)稱EPM）

乙丙橡膠是以乙烯和丙烯為基礎(chǔ)單體合成的彈性體共聚物。

乙丙橡膠低分子鏈中單體單元組成不同，有二元乙丙橡膠（EPM）和三元乙丙橡膠（EPDM）。三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和二烯烴的三元共聚物。由于它具有較好的綜合力學(xué)性能、耐熱性能和耐老化性能，所以目前普遍用乙丙橡膠改性瀝青。

10．2．3 高聚物合金

聚合物合金是指多組分和多相同時(shí)并存于某一共混體系中的高分子材料。

1．丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（簡(jiǎn)稱ABS）

ABS樹(shù)脂是丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）的三元共聚物。

ABS塑料的性能特點(diǎn)是：具有優(yōu)良的抗沖擊性，特別是在低溫下仍然較優(yōu)；優(yōu)良的抗蠕變性能，能在較高應(yīng)力下使用；在有沖擊荷載的情況下，能保持良好的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和硬度。

主要缺點(diǎn)是耐熱性較差。為克服這一缺點(diǎn)，用氯化乙烯與苯乙烯和丙烯腈接枝得ACS樹(shù)脂。此外，為改善其透明度，還開(kāi)發(fā)有MBS、XABS等合金產(chǎn)品。

ABS塑料具有綜合機(jī)械性能，優(yōu)級(jí)ABS抗拉強(qiáng)度可達(dá)40.00MPa，彎曲強(qiáng)度可達(dá)66.00MPa，可用于橋梁結(jié)構(gòu)中替代鋼材、木材等結(jié)構(gòu)材料。

2.高沖擊聚苯乙烯（簡(jiǎn)稱HIPS）

高沖擊聚苯乙烯樹(shù)脂是由順丁橡膠（或丁苯橡膠）與苯乙烯接枝聚合而成，故也稱接枝型抗沖擊聚苯乙烯。呈乳白色半透明或不透明顆粒，密度約1.05g/cm3。具有高的韌性，其沖擊強(qiáng)度比普通聚苯乙烯高7倍以上。HIPS樹(shù)脂再與其他高分子材料組成合金，用于改性瀝青可得綜合性能優(yōu)良的瀝青。

3.苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（簡(jiǎn)稱SBS）

SBS是苯乙烯（S）和丁二烯（B）的嵌段共聚物。

SBS產(chǎn)品外觀為白色（或微黃色），呈多孔小顆粒。它的性能兼有橡膠和塑料的特性。具有彈性好、抗拉強(qiáng)度高、低溫變性性能好等優(yōu)點(diǎn)。SBS是瀝青優(yōu)良的改性劑，可提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，被廣泛應(yīng)用于高級(jí)路面和屋面防水材料。

苯乙烯類嵌段共聚物仍在不斷開(kāi)發(fā)出具有更優(yōu)性能的新品種。為提高黏結(jié)力開(kāi)發(fā)出苯乙烯-異戊丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SlS）；為改善SBS的耐候性和耐老化性，開(kāi)發(fā)

了飽和型SBS（即SEBS）。

10．3 高分子材料在土木工程中的應(yīng)用

在土木工程中，高分子材料不僅可以直接用作防水材料；還可以作為水泥混凝土或?yàn)r青混合料的一個(gè)組分，用以改善水泥混凝土或?yàn)r青混合料的性能。

10.3.1 高分子防水材料

1．三元乙丙-丁基橡膠卷材

以三元乙丙橡膠為主，摻入適量的丁基橡膠、硫化劑、促硬劑、軟化劑和補(bǔ)強(qiáng)劑等，經(jīng)過(guò)密煉、拉片、過(guò)濾、擠出（或壓延）成型、硫化、檢驗(yàn)和分卷等工序加工制成的產(chǎn)品稱為三元乙丙-丁基橡膠卷材。

由于三元乙丙橡膠分子結(jié)構(gòu)中的主鏈上沒(méi)有雙鍵（其他類型的橡膠一般都有雙鍵存在）少數(shù)的雙鍵僅存在于支鏈上，當(dāng)其受到臭氧、光、濕和熱等作用時(shí)，主鏈不易斷裂，故其耐老化性能最佳，化學(xué)穩(wěn)定性也好。此外，它還具有質(zhì)量輕（2.00g/cm3左右）、抗拉強(qiáng)度高（7.5MPa以上）、延伸率大（45%以上）、使用溫度范圍寬（－一40℃~＋80℃）、使用壽命長(zhǎng)（20年以上）、耐酸、耐堿、耐腐蝕等特點(diǎn)。

三元乙丙-丁基橡膠卷材是屋面、地下室和水池防水工程的主體材料，主要用于各種建筑防水工程的修繕，外露層面的防水工程，各種地下工程的防水，廚房、衛(wèi)生間及浴室內(nèi)防水，橋梁、隧道的防水以及其他防水工程。

2．改性瀝青柔性油氈

以聚酯纖維無(wú)紡布為胎體，以SBS橡膠-瀝青為面層，以塑料薄膜為隔離層，油氈表面帶有砂粒的防水卷材稱為改性瀝青柔性卷材。

SBS橡膠（熱塑性）兼有橡膠和塑料的特性，常溫下具有橡膠的彈性，在高溫下又能像塑料那樣熔融流動(dòng)，成為可塑的材料。所以，用SBS橡膠改性后的瀝青油氈耐高、低溫性能有明顯提高；同時(shí)還可以提高卷材的彈性和耐疲勞性，將傳統(tǒng)的瀝青油氈熱施工方法改為冷黏結(jié)施工方法。改性瀝青柔性油氈、紙?zhí)ビ蜌�、玻璃布油氈的性能�?duì)比如表10.1所示。

表10.1 改性瀝青柔性油氈、紙?zhí)ビ蜌�、玻璃布油氈的性能�?duì)比

由表10.1可知，改性瀝青柔性油氈具有良好的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和低溫柔度。因此，它廣泛用作屋面及地下室的防水工程。因?yàn)楦男詾r青柔性油氈既可冷貼施工，又可用熱熔施工，尤其在冬季使用熱熔法施工，可以克服一般材料不能在0℃以下施工的缺點(diǎn)，所以它是冬季施工的較好材料。

3．密封材料

密封對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)就是防水、防塵和隔氣。建筑密封技術(shù)包括三個(gè)方面:合理的密封設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的密封材料和正確的密封施工方法。密封材料是密封技術(shù)的基礎(chǔ)。

我國(guó)的密封材料雖然開(kāi)發(fā)較早，但品種很少，用料單一，檔次也較低。一般認(rèn)為，較好的密封材料產(chǎn)品有馬牌油膏、上海油膏以及聚氯乙烯膠泥和塑料油膏等。今后隨著我國(guó)建筑工程結(jié)構(gòu)的多樣化，特別是房屋建筑的大板、條板的裝配化施工及框架輕板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，將對(duì)嵌縫密封材料提出更高的要求。

今后我國(guó)密封材料發(fā)展的主要方向是：逐步用人工合成高分子材料代替瀝青類材料；以中、高檔次密封材料作為開(kāi)發(fā)對(duì)象；同時(shí)組織有關(guān)部門制定并完善各類密封材料的標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法。

（1）聚氯乙烯嵌縫接縫膏和塑料油膏

以煤焦油和聚氯乙烯樹(shù)脂粉為主要成膜物質(zhì)，按適當(dāng)比例摻入增塑劑、穩(wěn)定劑及填充料，在140℃溫度下塑化而成的膏狀密封材料，稱為聚氯乙烯嵌縫接縫膏，簡(jiǎn)稱PVC嵌縫接縫膏。

用廢舊聚氯乙烯塑料代替聚氯乙烯樹(shù)脂粉（其他原料不變），用同樣方法生產(chǎn)的嵌縫接縫膏，稱為塑料油膏。

PVC嵌縫接縫膏和塑料油膏有良好的黏結(jié)性、防水性、彈塑性，耐熱耐寒和抗老化性能也較好。因此，它們適于各種屋面嵌縫或表面涂布的防水層，也可用于水渠、管道等的接頭；用于工業(yè)廠房防水屋面嵌縫和大型墻板嵌縫等的效果也很好。

PVC嵌縫接縫膏和塑料油膏既可熱用，也可冷用。熱用時(shí)，將膏體用文火加熱（加熱溫度不得超過(guò)140℃），達(dá)塑化狀態(tài)后，應(yīng)立即澆灌于清潔干燥的縫隙或接頭處。冷用時(shí)，可用溶劑加以稀釋。

（2）聚氨酯密封膏

聚氨酯密封膏一般用雙組分配制，甲組分是含有異氰酸基的預(yù)聚體，乙組分含有多羥基的固化劑、增塑劑、填充料、稀釋劑等。使用時(shí)，將甲、乙兩組分按比例混合，經(jīng)固化反應(yīng)成彈性體。

聚氨酯密封膏的彈性、黏結(jié)性及耐氣候老化性能特別好，與混凝土的黏結(jié)性也很好，同時(shí)不需要打底。所以，聚氨酯密封材料可以作屋面、墻面的水平垂直接縫，尤其適用于游泳池工程。它還是公路及機(jī)場(chǎng)跑道的補(bǔ)縫、接縫的好材料，也可用于玻璃、金屬材料的嵌縫。

聚氨酯密封膏的流變性、低溫柔性、拉伸黏結(jié)性和拉伸—壓縮循環(huán)性能等，應(yīng)符合部頒標(biāo)準(zhǔn)《聚氨酯建筑密封膏》（JC483-92）的規(guī)定。

（3）聚氯乙烯膠泥

以煤焦油為主要成膜物質(zhì)，按一定比例加入聚氯乙烯樹(shù)脂、增塑劑、穩(wěn)定劑及填充料，在130~140℃溫度下塑化而成的熱施工防水接縫材料，稱為聚氯乙烯膠泥（簡(jiǎn)稱膠泥）。它具有質(zhì)量輕、原料易得、防水性能好、施工簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

膠泥可以在－25℃~＋80℃條件下適用于各種坡度的工業(yè)廠房與民用建筑屋面工程，也適用于有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉氣體腐蝕的屋面工程。

10．3．2 涂料

涂料是指涂敷于物體表面，并能形成牢固附著、完整保護(hù)膜的材料。早期的涂料是以天然的油脂（如桐油、亞麻油）和天然樹(shù)脂（如松香、柯巴樹(shù)脂）為主要原料制成的，通稱為油漆。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高分子合成樹(shù)脂廣泛用作涂料原料，使油漆產(chǎn)品的面貌發(fā)生根本的變化�，F(xiàn)在通常將以合成樹(shù)脂（包括無(wú)機(jī)高分子材料）為主要成膜物質(zhì)的稱為涂料，而將以天然油脂、樹(shù)脂為主要成膜物質(zhì)或經(jīng)合成樹(shù)脂改性的稱為油漆。建筑涂料則是指使用于建筑物起裝飾作用、保護(hù)作用及其他特殊功能作用的一類涂料。

1．涂料的組成

涂料的品種雖然很多，但就其組成而言，大體上可分為三個(gè)部分，即主要成膜物質(zhì)、次要成膜物質(zhì)和輔助成膜物質(zhì)，如表10.2。

表10.2 涂料的基本組成

（1）主要成膜物質(zhì)

1）油料。油料是自然界的產(chǎn)物，來(lái)自于植物種子和動(dòng)物的脂肪。油料的干燥固化反應(yīng)主要是空氣中的氧和油料中不飽和雙鍵的聚合作用。

天然油料（油漆）的各方面性能，特別是耐腐蝕、耐老化性能不如許多合成樹(shù)脂，目前很少用它單獨(dú)作防腐蝕涂料，但它能與一些金屬氧化物或金屬皂化物在一起對(duì)金屬起防銹作用，所以油料可用來(lái)改性各種合成樹(shù)脂以制取配套防銹底漆。常用的油漆如表10.2所示。

2）天然樹(shù)脂和合成樹(shù)脂。天然樹(shù)脂是指瀝青、生漆、天然橡膠等。合成樹(shù)脂是指環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、乙烯類樹(shù)脂、過(guò)氯乙烯樹(shù)脂和含氟樹(shù)脂等，它們都是常用的耐蝕涂料中的主要成膜物質(zhì)。

（2）次要成膜物質(zhì)（顏料）

顏料是涂料的主要成分之一，在涂料中加入顏料不僅使涂料具有裝飾性，更重要的是能改善涂料的物理和化學(xué)性能，提高涂層的機(jī)械強(qiáng)度、附著力、抗?jié)B性和防腐蝕性能等，還有濾除有害光波的作用，從而增進(jìn)涂層的耐候性和保護(hù)性。

表10.2 常用油漆表

1）防銹顏料主要用在底漆中起防銹作用。按照防銹機(jī)理的不同，可分化學(xué)防銹顏料，如紅丹、鋅鉻黃、鋅粉、磷酸鋅和有機(jī)鉻酸鹽等，這類顏料在涂層中是借助化學(xué)或電化學(xué)的作用起防銹作用的；另一類為物理性防銹顏料，如鋁粉、云母、氧化鐵、氧化鋅和石墨粉等，其主要功能是提高漆膜的致密度，降低漆膜的滲透性，阻止陽(yáng)光和水分的透人，以增強(qiáng)涂層的防銹效果。

2）體質(zhì)顏料和著色顏料可以在不同程度上提高涂層的耐候性、抗?jié)B性、耐磨性和物理機(jī)械強(qiáng)度等。常用的有滑石粉、碳酸鈣、硫酸鋇、云母粉和硅藻土等。著色顏料在涂料中主要起著色和遮蓋膜面的作用。

（3）輔助成膜物質(zhì)

1）溶劑。溶劑在涂料中主要起溶解成膜物質(zhì)、調(diào)整涂料黏度、控制涂料干燥速度等方面的作用。溶劑對(duì)涂料的一些特性，如涂刷阻力、流平性、成膜速度、流淌性、干燥性、膠凝性、浸潤(rùn)性和低溫使用性能等，都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，要想得到一個(gè)好涂料，正確選擇和使用溶劑同樣重要。

2）其他輔助材料。為了提高涂層的性能和滿足施工要求，在涂料中還常常添加增塑劑（用來(lái)提高漆膜的柔韌性、抗沖擊性和克服漆膜硬脆性，易裂的缺點(diǎn)）、觸變劑（使涂料在刷涂過(guò)程中有較低的黏度，以易于施工）。另外，還有催干劑（加速漆膜的干燥）、表面活性劑、防霉劑、紫外線吸收劑和防污劑等輔助材料。

3）水和溶劑。水和溶劑是分散介質(zhì)，溶劑又稱稀釋劑，主要作用在于使各種原材料分散而形成均勻的黏稠液體，同時(shí)可調(diào)整涂料的黏度，使其便于涂布施工，有利于改

善涂膜的某些性能。另外，涂料在成膜過(guò)程中，依靠水或溶劑的蒸發(fā)，使涂料逐漸干燥硬化，最后形成連續(xù)均勻的涂膜。常用的溶劑有松香水、乙醇、苯、二甲苯、丙酮等。除了常用的建筑涂料外，還有一些具有特種功能的建筑涂料，如可以使墻面具有防止霉菌生長(zhǎng)、能使被涂覆的建筑物具有防火特性、能夠降低建筑物的能耗、防靜電功能等的涂料。

2．防水涂料

防水涂料大多是以液態(tài)高分子材料為主體的防水材料，有溶劑性和水乳性兩種。通常用涂布的方法將防水涂料涂刮在防水基層上，在常溫下固化，形成具有一定彈性的涂膜防水層。

防水層可以由幾層防水涂層的涂膜組成，也可以在幾層防水涂層之間放置玻璃纖維網(wǎng)格布或聚酯纖維無(wú)紡布，形成增強(qiáng)的涂膜防水層。

涂膜防水層的特點(diǎn)是施工操作簡(jiǎn)便、無(wú)污染、冷操作、無(wú)接縫，能適應(yīng)復(fù)雜基層，防水性能好，因此其發(fā)展較快。這種新型防水涂料一般具有以下特點(diǎn)：

1）防水性能好。防水涂料在施工固化前多為無(wú)定形黏稠狀液態(tài)物質(zhì)，適合任何形狀復(fù)雜的基層施工，尤其在管根、陰陽(yáng)角處更便于封閉嚴(yán)密，能保證工程的防水防滲質(zhì)量。

2）溫度適應(yīng)性強(qiáng)。防水涂層在－30℃低溫下無(wú)裂縫，在30℃高溫下不流淌。水溶性涂料在0℃以上，溶劑型涂料在－10℃以上均可進(jìn)行施工。

3）操作簡(jiǎn)便，施工速度快。防水涂料既可刷涂，也可以噴涂，基層不必十分干燥。節(jié)點(diǎn)做法簡(jiǎn)單，操作人員易于掌握。

4）安全性好。防水涂料均采用冷施工方法，不必加熱熬制，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)、燙傷等事故，并能減少對(duì)環(huán)境的污染。

（1）聚氨酯防水涂料

聚氨酯防水涂料屬雙組分反應(yīng)型涂料。甲組分是含有異氰酸基的預(yù)聚體，乙組分含有多羥基的固化劑與增塑劑、稀釋劑等，甲、乙兩組分混合后，經(jīng)固化反應(yīng)，形成均勻富有彈性的防水涂膜。

聚氨酯防水涂料是反應(yīng)型防水涂料，固化的體積收縮很小，可形成較厚的防水涂膜，并具有彈性高、延伸率大、耐高低溫性好、耐油、耐化學(xué)藥品腐蝕等優(yōu)異性能。按《聚氨酯防水涂料》（JC500-1996）的規(guī)定，其主要技術(shù)性能應(yīng)滿足表10.3的要求。

表10.3 聚氨酯防水涂料的主要技術(shù)性能

聚氨酯涂料具有較大的彈性和延伸能力，對(duì)在一定范圍內(nèi)的基層裂縫有較強(qiáng)的適應(yīng)

性，并且采用冷施工法作業(yè)。它用于一般工業(yè)與民用建筑中的屋面、地下室、浴室、衛(wèi)生間地面等防水工程，也可以用于水池的防水等。

（2）氯丁膠乳瀝青防水涂料

以氯丁橡膠和瀝青為主要成膜物質(zhì)，經(jīng)加工合成的一種水乳型防水涂料稱為氯丁膠乳瀝青防水涂料。它兼有橡膠的高彈性、耐溫性和瀝青的黏結(jié)性、憎水性的雙重優(yōu)點(diǎn)，克服了熱淌冷脆的缺陷；具有防水、抗?jié)B、不延燃、無(wú)毒、抗基層變形能力強(qiáng)、耐老化等特點(diǎn)，而且可以冷作業(yè)施工，操作方便，防水壽命可達(dá)10年以上。

這種涂料可代替二氈三油的屋面防水、地下室墻面和地面防水，可作廁所、廚房及室內(nèi)地面防水；對(duì)于復(fù)雜的屋面、天溝及有振動(dòng)的屋面尤為適宜；還適于對(duì)伸縮縫、天溝等處的漏水進(jìn)行修補(bǔ)；此外，還可用作防腐地坪的防水隔離層。

氯丁膠乳瀝青防水涂料為水乳型涂料，雨天、刮風(fēng)天、冰凍期不能施工，施工溫度在5~35℃為宜。

（3）氯丁橡膠-海帕倫涂料

以氯丁橡膠和海帕倫橡膠（海帕倫為商標(biāo)名，合成橡膠的一種）為主要成膜物質(zhì)合成的防水涂料稱為氯丁橡膠-海帕倫涂料。兩種材料的耐候性及抗基層發(fā)絲裂紋的能力較好，而且都是非常耐久的彈性體材料。通常氯丁橡膠的彈性比海帕倫的好，后者的顏色穩(wěn)定性好，但價(jià)格貴。因此，兩種材料結(jié)合起來(lái)使用最佳。

通�；淄苛鲜锹榷∠鹉z，而面層涂料則由海帕倫組成。氯丁橡膠的配方是：普通橡膠15.00%，酚醛樹(shù)脂5.00%，炭黑15.00%，固化劑3.00%，混合二甲苯62.00%。海帕倫的配方是：海帕倫15.00%、癸二酸二丁酯3.00%、碳酸鈣粉9.00%、二氧化鈦12.00%、固化劑3.00%、溶劑8.00%、混合二甲苯50.00%。

10.3.3 建筑膠

建筑膠是一種能在兩個(gè)物體的表面間形成薄膜，并能把它們緊密地黏結(jié)起來(lái)的材料，又稱為黏結(jié)劑或黏合劑。建筑膠在土木工程中主要用于室內(nèi)裝修、預(yù)制構(gòu)件組裝、室內(nèi)設(shè)備安裝等。此外，混凝土裂縫和破損也常采用建筑膠進(jìn)行修補(bǔ)。目前，建筑膠的用途越來(lái)越廣，品種和用量日益增加，已成為土木工程材料中的一個(gè)不可缺少的組成部分。

1．建筑膠的組成、要求及分類

建筑膠一般都是多組分材料，除基本成分為合成高分子材料（俗稱黏料）外，為了滿足使用要求，還需要加入各種助劑，如填料、稀釋劑、固化劑、增塑劑、防老化劑等。對(duì)建筑膠的基本要求是：具有足夠的流動(dòng)性，能充分浸潤(rùn)被粘物表面，黏結(jié)強(qiáng)度高，脹縮變形小，易于調(diào)節(jié)其黏結(jié)性和硬化速度，不易老化失效。

按所用黏料的不同，可將建筑膠分為熱固型、熱塑性、橡膠型和混合型四種。人們從不同角度對(duì)建筑膠的黏結(jié)原理進(jìn)行了研究，得出以下幾種理論：

（1）機(jī)械連接理論

機(jī)械連接理論認(rèn)為被粘物表面是粗糙、多孔的。建筑膠能夠滲透到孔隙中，硬化后形成了許多微小的機(jī)械連接，黏結(jié)力來(lái)自機(jī)械力。

（2）物理吸附理論

物理吸附理論認(rèn)為建筑膠與被粘物分子間的距離小于0.5mm時(shí)，分子間的范德華力發(fā)生作用而相吸附，黏結(jié)力來(lái)自分子間的引力。分子間的作用力雖然遠(yuǎn)小于化學(xué)鍵力，但由于分子（或原子）數(shù)目巨大，故吸附能力很強(qiáng)。

（3）化學(xué)黏結(jié)理論

化學(xué)黏結(jié)理論認(rèn)為某些建筑膠與被粘物表面之間能形成化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵對(duì)黏結(jié)力及黏結(jié)界面抵抗老化的能力有較大的貢獻(xiàn)。

（4）擴(kuò)散理論

擴(kuò)散理論認(rèn)為建筑膠與被粘物之間存在分子（或原子）間的相互擴(kuò)散作用，這種擴(kuò)散作用是兩種高分子材料的相互溶解，其結(jié)果使建筑膠與被粘物分子之間更加接近，物理吸附作用得到加強(qiáng)。

以上理論反映了黏結(jié)現(xiàn)象本質(zhì)的各個(gè)方面，實(shí)際上建筑膠與被粘物之間的牢固黏結(jié)往往是多種作用的綜合效果。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較高的黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)被粘物的種類、環(huán)境溫度、耐水及耐腐蝕性等要求，采取相應(yīng)的措施。如合理選用建筑膠品種，對(duì)被粘物表面進(jìn)行處理，如加熱、加壓（加熱可改善潤(rùn)濕程度，加壓可增大吸附作用）等。

2．土木工程中常用的建筑膠

建筑膠品種很多，常用建筑膠的性能及用途如下。

（1）聚乙酸乙烯建筑膠（乳白膠）

聚乙酸乙烯建筑膠的黏結(jié)性好、無(wú)毒、無(wú)味、快干、耐油、施工簡(jiǎn)易、安全。但價(jià)格較貴、耐水性和耐熱性較差、易蠕變。主要用于黏結(jié)墻紙、木質(zhì)或塑料地板、陶瓷飾面材料、玻璃和混凝土等。

（2）聚乙烯醇縮甲醛建筑膠（改性107膠，又稱801膠）

聚乙烯醇縮甲醛建筑膠的黏結(jié)強(qiáng)度高、無(wú)毒、無(wú)味、耐油、耐水、耐磨、耐老化、價(jià)廉。主要用于粘貼墻紙、墻布、瓷磚、馬賽克；加入水泥砂漿中可減少地板起塵，在裝修工程中用途最廣。

（3）丙烯酸酯類建筑膠（502）

丙烯酸酯類建筑膠的黏結(jié)強(qiáng)度高、固化速度快、用量少。用于金屬和非金屬材料的黏結(jié)。

（4）環(huán)氧樹(shù)脂建筑膠

環(huán)氧樹(shù)脂建筑膠的黏結(jié)強(qiáng)度高、耐熱、電絕緣性好、柔韌、耐化學(xué)腐蝕，適用水中作業(yè)和耐酸堿場(chǎng)合。廣泛用于黏結(jié)金屬、非金屬材料及建筑物的修補(bǔ)，有萬(wàn)能膠之稱。

（5）不飽和聚酯樹(shù)脂建筑膠

不飽和聚酯樹(shù)脂建筑膠的黏結(jié)強(qiáng)度高、耐水性和耐熱性較好，可在室溫或低壓下固化，無(wú)揮發(fā)物產(chǎn)生，但固化時(shí)收縮率較大。主要用于制作玻璃鋼，黏結(jié)陶瓷、玻璃、金屬、木材和混凝土等。

（6）聚氨酯建筑膠

聚氨酯建筑膠的黏結(jié)力強(qiáng)、膠膜柔軟、耐溶劑、耐油、耐水、耐酸、耐震，能在室溫下固化。黏結(jié)塑料、木材、皮革、玻璃、金屬等，特別適合防水、耐酸、耐堿工程。

（7）氯丁橡膠建筑膠

氯丁橡膠建筑膠的黏結(jié)力較強(qiáng)，對(duì)水、油、弱酸、弱堿及有機(jī)溶劑有良好的抵抗性，可在室溫下固化。易蠕變，易老化。黏結(jié)多種金屬和非金屬材料，常用于水泥砂漿墻面或地面上粘貼橡膠和塑料制品。

10．3．4 高分子改性水泥混凝土

水泥混凝土具有許多優(yōu)良的技術(shù)品質(zhì)，所以廣泛應(yīng)用于高等級(jí)路面和大型橋梁以及建筑工程。但是它最主要的缺點(diǎn)是抗拉（或抗彎）強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值較低，相對(duì)延伸率小，是一種典型的強(qiáng)而脆的材料。如能借助高分子材料的特性，采用高分子材料改性

水泥混凝土，則可彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，使水泥混凝土成為強(qiáng)而韌的材料。

目前采用高分子材料改性水泥混凝土主要有以下三種方法。

1．聚合物浸漬混凝土

聚合物浸漬混凝土是高分子材料浸漬已硬化的混凝土（基材）經(jīng)干燥后，用加熱或輻射等方法使混凝土孔隙內(nèi)的單體聚合而成的一種混凝土。

（1）基本工藝

高分子材料浸漬混凝土的主要工藝是：浸漬、干燥和聚合等流程。

1）浸漬。是使配制好的浸漬液滲入混凝土孔隙中。浸漬的方法分為自然浸漬、真空浸漬和真空加壓浸漬等，路面混凝土宜采用自然浸漬法。

浸漬常用的單體有甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（S）、乙酸乙烯（VA）、乙烯（E）、丙烯腈（AN）、聚酯-苯乙烯等。目前最常采用的是前兩種。此外，還應(yīng)加入其他助劑，如引發(fā)劑、催化劑和交聯(lián)劑等。

2）干燥。是使聚合物能滲入混凝土的孔隙，必須使混凝土充分干燥，通常干燥溫度為100~l50℃。

3）聚合。是使浸漬在混凝土孔隙中的單體聚合固化的過(guò)程。聚合的方法有:熱聚合、輻射聚合和催化聚合等。目前采用較多的是摻加引發(fā)劑的熱聚合法。常用的引發(fā)劑為過(guò)氧化苯酰、特丁基過(guò)苯甲酸鹽、偶氮雙異丁腈等。引發(fā)劑是事先溶解在單體中，當(dāng)加熱時(shí)它即能使單體聚合。加熱的方法有電熱器、熱水、蒸汽、紅外線等方法。

（2）技術(shù)性能

聚合物浸漬混凝土由于聚合物充盈了混凝土的毛細(xì)管孔和徵裂縫所組成孔隙系統(tǒng)，改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，因而使其物理、力學(xué)性狀得到明顯改善。一般情況下，聚合物浸漬混凝土的抗壓強(qiáng)度為普通混凝土的3~4倍；抗拉強(qiáng)度約提高3倍；抗彎強(qiáng)度提高2~3倍；彈性模量約提高1倍；抗沖擊強(qiáng)度約提高0.7倍。此外，徐變大大減小，抗凍性、耐硫酸鹽、耐酸和耐堿等性能也都有很大改善。主要缺點(diǎn)是耐熱性較差，高溫時(shí)聚合物易分解。

2．聚合物水泥混凝土

聚合物水泥混凝土是以聚合物（或單體）和水泥共同起膠結(jié)作用的一種混凝土。生產(chǎn)工藝與聚合物浸漬混凝土不同，它是在拌和混凝土混合料時(shí)將聚合物（或單體）摻進(jìn)去的。因此，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，與普通混凝土相似，便于施工現(xiàn)場(chǎng)使用。

（1）材料組成

聚合物水泥混凝土的材料組成基本上與普通水泥混凝土相同，只是增加了聚合物組分。常用的聚合物有以下三類：①橡膠乳液類，如天然膠乳（NR）、丁苯膠乳（SBR）和氯丁膠乳（CR）等；②熱塑性樹(shù)脂類，如聚丙烯酸酯（PAE）、聚乙酸乙烯酯（PVAC）等；⑧熱固性樹(shù)脂類，如環(huán)氧樹(shù)脂（EP）等。

此外，還要加入某些輔助穩(wěn)定劑、抗水劑、促凝劑和消泡劑等外加劑。

（2）配合比設(shè)計(jì)

聚合物水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)與普通水泥混凝土基本相同，但是設(shè)計(jì)目標(biāo)除了抗壓強(qiáng)度的要求外，更重要的是抗彎強(qiáng)度和耐磨性這兩項(xiàng)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)參數(shù)中，除了水灰比、用水量和砂率三項(xiàng)參數(shù)外，由于聚合物混凝土的力學(xué)性能還與聚合物的摻量有關(guān)，所以還要增加一項(xiàng)“聚灰比”的參數(shù)。通常聚灰比是按固態(tài)聚合物占水泥的百分率計(jì)算，使用膠乳時(shí)應(yīng)按其含膠量計(jì)算，并在單位用水量中扣除膠乳中的含水量。聚合物混凝土目前尚無(wú)成熟的配合比設(shè)計(jì)，主要是在普通水泥混凝土設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，參照已有的實(shí)

踐經(jīng)驗(yàn)，在推薦范圍（如聚灰比0.05~0.20；水灰比0.35~0.50）中，通過(guò)試拌來(lái)確定其配合比。

（3）技術(shù)性能

硬化后的聚合物混凝土與普通混凝土相比，在技術(shù)性能上有下列特點(diǎn)：

1）抗彎、抗拉強(qiáng)度高。摻加聚合物后，混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度均有提高，特別是作為路面混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的抗彎、抗拉強(qiáng)度，提高更為明顯。

2）抗沖擊性好。由于摻加聚合物，混凝土的脆性降低，柔韌性增加，因而抗沖擊能力也有明顯的提高。這對(duì)作為承受動(dòng)荷載的路面和橋梁用的混凝土是非常有利的。

3）耐磨性好。聚合物對(duì)礦物集料具有優(yōu)良的黏附性，因而可以采用硬質(zhì)耐磨的巖石作為集料，這樣可以提高路面混凝土的耐磨性和抗滑性。

4）耐久性好。聚合物在混凝土中能起到阻水和填隙的作用，因而可以提高混凝土的抗水性、耐凍性和耐久性。

以上各項(xiàng)性能的改善程度與聚合物的性能、用量和制備工藝有關(guān)。

3.聚合物膠結(jié)混凝土

聚合物膠結(jié)混凝土是完全以聚合物為膠結(jié)材的混凝土，常用的聚合物為各種樹(shù)脂或單體，所以也稱“樹(shù)脂混凝土”。

（1）組成材料

聚合物混凝土是由膠結(jié)材、集料和填料所組成。

1）膠結(jié)材。它是用于拌制聚合物混凝土的樹(shù)脂或單體。在選擇時(shí)，除考慮與集料的黏附性外，同時(shí)還能滿足施工和易性的要求，以及硬化后能達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度和耐磨性能等。

最常用的聚合物有環(huán)氧樹(shù)脂（PE）、呋喃樹(shù)脂（ER）、酚醛樹(shù)脂（PF）、不飽和聚酯樹(shù)脂（UP）等；單體有甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（S）等。

另外，為滿足樹(shù)脂或單體能固化、聚合以及混凝土拌和物施工的和易性，還需要摻加固化劑、引發(fā)劑和稀釋劑等。

2）集料。首先要選擇高強(qiáng)度和耐磨的巖石，同時(shí)要考慮巖石的礦物成分與聚合物的黏附性。破碎成的集料要有良好的級(jí)配，經(jīng)組配后的集料應(yīng)能達(dá)到最大的密實(shí)度，以減少填料和聚合物的用量。集料最大粒徑通常不大于20mm。

3）填料。在聚合物混凝土中，除了填充集料的空隙以減少聚合物的用量外，更重要的是集料有較大的表面積與聚合物發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)。因此，填料的細(xì)度、粒徑級(jí)配和礦物成分等在很大程度上影響聚合物混凝土的物理、力學(xué)性能。一般填料粒徑宜為1~30μm。常用的填料有堿性的碳酸鈣（CaCO3）系和酸性的氧化硅（SiO2）系，用時(shí)需要根據(jù)聚合物特性確定。

（2）配合比設(shè)計(jì)

聚合物混凝土配合比設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：達(dá)到設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度（特別是抗折強(qiáng)度的要求）；滿足施工和易性以及聚合物的最佳用量。其主要設(shè)計(jì)步驟如下：

1）確定樹(shù)脂與助劑的最佳比例。為保證在施工過(guò)程中混凝土拌和物的和易性和硬化后聚合物混凝土的強(qiáng)度，必須確定樹(shù)脂（或單體）與固化劑（或引發(fā)劑）及稀釋劑等的最佳比例。

2）選擇礦物集料的最優(yōu)配比。由粗細(xì)集料和填料組成的礦物集料，應(yīng)以最大密實(shí)度（最小空隙率）為目標(biāo)進(jìn)行礦物集料配合比設(shè)計(jì)。

3）確定樹(shù)脂（或單體）最佳用量。根據(jù)試拌，初步確定滿足施工和易性要求的樹(shù)

脂用量，然后根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)，確定既滿足施工和易性又達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度的最佳樹(shù)脂用量。

（3）技術(shù)性能

聚合物混凝土是以聚合物為黏結(jié)料的混凝土，由于聚合物的特征，使混凝土具有以下技術(shù)性能:

1）表觀密度小。由于聚合物的密度比水泥密度小，所以聚合物混凝土的表觀密度也較小，通常為2000~3000kg/m3，如采用輕集料配制混凝土，則能減少結(jié)構(gòu)斷面和增大跨度，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

2）強(qiáng)度高。聚合物混凝土與普通水泥混凝土相比較，不論抗壓、抗拉或抗折強(qiáng)度都有顯著的提高，特別是抗拉和抗折強(qiáng)度尤為突出。這對(duì)減薄路面厚度或減少橋梁結(jié)構(gòu)斷面都有顯著的效果。

3）與集料的黏附性強(qiáng)。由于聚合物與集料的黏附性強(qiáng)，可以采用硬質(zhì)石料作混凝土路面的抗滑層，以提高路面抗滑性。此外，還可以做成空隙式路以防滑層，以防止高速公路路面的飄滑及噪聲現(xiàn)象。

4）結(jié)構(gòu)密實(shí)。聚合物不僅可以填充集料間的空隙，而且可以浸入集料的孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，從而提高了混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐久性。

聚合物混凝土具有許多優(yōu)良的技術(shù)性能，除了應(yīng)用于特殊要求的道路與橋梁工程結(jié)構(gòu)外，也經(jīng)常用于路面和橋梁的修補(bǔ)工程。

10．3．5 高分子改性瀝青

目前應(yīng)用于改善瀝青性能的高分子材料主要有樹(shù)脂類、橡膠類和樹(shù)脂—橡膠共聚物等三類。

1．熱塑性樹(shù)脂奐改性瀝青

用作改性瀝青的樹(shù)脂，主要是熱塑性樹(shù)脂，最常用的是聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。由它們所組成的改性瀝青，主要是提高了瀝青的黏度、改善了高溫穩(wěn)定性，同時(shí)可以增大瀝青的韌性，但是低溫性能的改善有時(shí)并不明顯。此外，無(wú)規(guī)聚丙烯（APP），由于它具有更為優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，所以也經(jīng)常被用來(lái)改善瀝青的性能，它與前述相似，改善抗高溫流動(dòng)性效果較好，低溫改善效果不明顯，并且抗疲勞性能較差。最新研究表明：?jiǎn)蝺r(jià)低廉和耐寒性好的低密度聚乙烯與其他高分子材料組成合金，可以得到優(yōu)良的改性瀝青。

熱固性樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂也曾被用來(lái)改性瀝青，這種改性瀝青配制的混合料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，并具有應(yīng)力松弛特性。但是由于造價(jià)較高，所以較少采用。

2．橡膠類改性瀝青

橡膠類改性瀝青的性能主要取決于瀝青原材料的性能、橡膠的種類和制備工藝等因素。

1）瀝青的性能。橡膠瀝青的性能取決于橡膠在瀝青中的存在狀態(tài)，亦即取決于兩者的相容性。

2）橡膠品種。采用相同油源和工藝的瀝青，若橡膠用量相同而品種不同，則所得到橡膠改性瀝青的性能不一定相同。

目前，合成橡膠類改性瀝青中，通常認(rèn)為改性效果較好的是丁苯橡膠（SBR）。丁苯橡膠改性瀝青的性能主要表現(xiàn)為：①在常規(guī)指標(biāo)中，針入度值減小，軟化點(diǎn)升高，常溫（25℃）延度稍有增加，特別是低溫（5℃）延度有較明顯的增加；②不同溫度下的黏度均有增加，隨著溫度降低，黏度逐漸增大；③熱流動(dòng)性降低，熱穩(wěn)定性明顯提高；④韌性明顯提高；⑤黏附性也有所提高。

3．熱塑性彈性體改性瀝青

熱塑性彈性體改性瀝青的性能優(yōu)于樹(shù)脂和橡膠改性瀝青。比如A-100瀝青。摻入5%的SBS及助劑，其改性瀝青比原始瀝青性能上主要有下列改善：

1）提高低溫變形能力。若5℃時(shí)延度為3.8cm，脆點(diǎn)為－10.0℃的原始瀝青，當(dāng)摻加5%的SBS高聚物及助劑后，5℃時(shí)的延度可增加至36.0cm，脆點(diǎn)降低至－23℃，故改性瀝青具有較好的低溫變形能力。

2）提高高溫使用的黏度。摻加SBS高分子的改性瀝青，60℃的黏度可由115Pa·s提高為224Pa·s；同時(shí)軟化點(diǎn)也可以從48℃提高至51℃。

3）提高溫度敏感性。改性瀝青在低溫時(shí)的黏度比原始瀝青降低，而高溫（60℃）時(shí)的黏度提高。在更高溫度（90℃以上），黏度與原始瀝青相近。

4）提高耐久性。由于高分子材料中摻入防老化劑，可提高耐久性。

思考題

10.1 何謂高分子材料?怎樣分類?

10.2 高分子材料有哪些特征?應(yīng)用前景如何?

10.3 常用高分子材料有哪些？有什么特點(diǎn)?應(yīng)用范圍如何?

10.4 試述線型非晶態(tài)高分子材料的玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)的物理含義及其力學(xué)特征。

10.5 試述涂料的組成成分及它們所起的作用。